朱榮榮, 張朝陽(yáng), 劉 遠(yuǎn), 余 謙

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

海洋平臺(tái)分段吊裝變形控制方法的改進(jìn)

朱榮榮, 張朝陽(yáng), 劉 遠(yuǎn), 余 謙

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

海洋平臺(tái)分段的吊裝是一道非常重要的工序，吊裝方案設(shè)計(jì)是否合理，直接影響分段吊裝后產(chǎn)生變形的大小。該文以400 ft自升式鉆井平臺(tái)上層建筑分段吊裝方案為例，對(duì)生產(chǎn)部門(mén)設(shè)計(jì)的851P分段吊裝方案利用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行校核。為更加合理地控制分段吊裝變形，提出了利用槽鋼替代方管作為工藝撐的改進(jìn)方案，并對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案的效果進(jìn)行比較，為今后海洋平臺(tái)建造工藝水平的提升提供參考和借鑒。

海洋平臺(tái)；分段吊裝；變形；工藝撐

0 引言

自升式鉆井平臺(tái)主要分為主船體、樁腿和樁靴、抬升和鎖緊裝置、懸臂梁及鉆井裝置五大部分。主船體除圍阱區(qū)域外，多采用8 mm～12.5 mm的高強(qiáng)度鋼板，上建圍壁多為6.5 mm和8 mm普通鋼板。根據(jù)平臺(tái)規(guī)范計(jì)算和有限元計(jì)算結(jié)果，船體結(jié)構(gòu)完全滿足強(qiáng)度要求，為確保交付一艘外形美觀、功能齊全的鉆井平臺(tái)，則需要進(jìn)一步加強(qiáng)推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝，以提高整體建造工藝水平。

在船舶與海洋結(jié)構(gòu)物建造過(guò)程中，船體結(jié)構(gòu)變形主要是由焊接和分段吊裝引起，焊接變形又會(huì)直接影響分段吊裝時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在300 ft海洋平臺(tái)建造過(guò)程中，精度控制不到位和結(jié)構(gòu)變形后未進(jìn)行有效返修的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，結(jié)構(gòu)變形不僅影響強(qiáng)度和外形美觀，較大變形甚至?xí)斐山Y(jié)構(gòu)報(bào)廢，造成資源的浪費(fèi)及生產(chǎn)成本的增加。

1 控制分段變形的方法

在平臺(tái)建造過(guò)程中，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部變形的現(xiàn)象無(wú)法避免，可以采用更加合理的設(shè)計(jì)方案和新工藝來(lái)有效地控制變形。

在焊接過(guò)程中，由于構(gòu)件受到不均勻加熱的影響及焊縫在冷卻過(guò)程中得不到自由的收縮，產(chǎn)生了不均勻的收縮變形，同時(shí)產(chǎn)生了不均勻的應(yīng)力，而導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生焊后變形。針對(duì)300 ft海洋平臺(tái)完工后發(fā)現(xiàn)的變形問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度控制焊接變形的方法主要有：(1)選擇合理的焊縫尺寸；(2)盡量減少焊縫數(shù)量；(3)合理安排焊縫位置；(4)預(yù)留收縮余量；(5)選擇合理的焊接工藝。

1.2 分段吊裝過(guò)程中的變形控制

圖1 851P分段吊環(huán)布置圖

分段在平面分段流水線上或胎架上施工完畢后，需要轉(zhuǎn)場(chǎng)進(jìn)行油漆及總組，這就涉及到分段的翻身和吊裝作業(yè)，如果吊裝設(shè)計(jì)不合理，將很容易導(dǎo)致分段發(fā)生變形，因此，吊點(diǎn)的設(shè)計(jì)和局部臨時(shí)加強(qiáng)對(duì)控制變形顯得尤為重要。在吊裝作業(yè)前，施工部門(mén)應(yīng)根據(jù)分段結(jié)構(gòu)及焊接重量、預(yù)舾裝件的重量計(jì)算出分段的重量重心，然后根據(jù)所采用的吊裝方式，選擇合適的吊環(huán)進(jìn)行有效布置，并對(duì)吊環(huán)位置處結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效加強(qiáng)，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。對(duì)于強(qiáng)度較弱的分段下口處，應(yīng)采取額外的支撐加強(qiáng)，確保分段在吊裝過(guò)程中不發(fā)生大的變形。在吊裝加強(qiáng)方案確定后，還需要對(duì)吊裝方案進(jìn)行強(qiáng)度校核，檢驗(yàn)吊裝方案是否合理。

2 分段吊裝強(qiáng)度計(jì)算

2.1 有限元模型

利用有限元計(jì)算軟件MSC.PATRAN/NASTRAN作為分析工具，對(duì)施工部門(mén)設(shè)計(jì)的吊裝方案進(jìn)行強(qiáng)度校核，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷吊裝加強(qiáng)方案是否合理有效。以400 ft鉆井平臺(tái)上層建筑851P分段吊裝為例，吊環(huán)及臨時(shí)拉撐布置如圖1、圖2所示，模型中甲板、艙壁及桁材等結(jié)構(gòu)用三角形或四邊形的板單元來(lái)模擬，加強(qiáng)筋和臨時(shí)拉撐用梁?jiǎn)卧M，吊裝使用的鋼絲繩，采用rod單元來(lái)模擬。分段從起吊到翻身成正態(tài)，共分為5個(gè)工況，分別為內(nèi)場(chǎng)工況、分段旋轉(zhuǎn)45°工況、90°工況、135°工況和180°工況。

圖2 851P分段斜撐布置圖

2.2 載荷及邊界條件

經(jīng)過(guò)一系列標(biāo)準(zhǔn)化工作的實(shí)施，重慶市婚管中心初步制定并形成了一套較為規(guī)范、完善的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)體系。該標(biāo)準(zhǔn)體系參考GB/T 24421.2——2009《服務(wù)業(yè)組織標(biāo)準(zhǔn)化工作指南 第2部分：標(biāo)準(zhǔn)體系》制定，由通用基礎(chǔ)、服務(wù)提供、服務(wù)保障三大子標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)成。其中，針對(duì)“家和計(jì)劃”項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)建立了管理標(biāo)準(zhǔn)體系，為工作人員有序管理“家和計(jì)劃”項(xiàng)目單位、保障項(xiàng)目服務(wù)質(zhì)量、擴(kuò)大項(xiàng)目服務(wù)規(guī)模提供了重要參考，使其能夠做到服務(wù)工作有標(biāo)可依、管理工作有標(biāo)可據(jù)、成果評(píng)估有標(biāo)可憑。

圖3 內(nèi)場(chǎng)有限元模型

各工況下的載荷均為重力載荷，根據(jù)施工部門(mén)統(tǒng)計(jì)的重量數(shù)據(jù)，分段結(jié)構(gòu)重量為9.84 t，管電等預(yù)舾裝件重量為1 t，焊縫重量為0.8 t，工藝撐重量為0.91 t,共計(jì)12.55 t，再采用1.1倍的吊重系數(shù)，即計(jì)算載荷大小為自重的1.1倍。

模型的邊界條件：根據(jù)不同工況定義相應(yīng)的坐標(biāo)系，在吊點(diǎn)處約束x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度以及分段重心附近一點(diǎn)的x、y兩個(gè)方向平動(dòng)自由度。對(duì)工況3的分段模型，還約束吊耳附近一點(diǎn)的y方向的平動(dòng)自由度。分段吊裝各工況下的邊界條件模型如圖3～圖7所示。

圖4 分段旋轉(zhuǎn)45°工況 圖5 分段旋轉(zhuǎn)90°工況

圖6 分段旋轉(zhuǎn)135°工況 圖7 分段旋轉(zhuǎn)180°工況

2.3 許用應(yīng)力衡準(zhǔn)

上層建筑851P分段結(jié)構(gòu)均為ABS A級(jí)鋼材，根據(jù)ABS MODU 2014 Pt3，Ch2，Sec1[3]確定許用應(yīng)力衡準(zhǔn)。

許用正應(yīng)力：

許用Von Mises應(yīng)力：

該文主要校核模型構(gòu)件的正應(yīng)力和Von Mises應(yīng)力是否滿足要求。

2.4 有限元計(jì)算結(jié)果

表1列出了模型在各工況下計(jì)算得出的最大位移、板單元最大Von Mises應(yīng)力和梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力值。從計(jì)算結(jié)果可以看出，分段吊裝過(guò)程中，出現(xiàn)了較大的位移變形，且在分段翻身過(guò)程中，出現(xiàn)了單元局部應(yīng)力超過(guò)了許用應(yīng)力值，這說(shuō)明生產(chǎn)部門(mén)提供的分段吊裝加強(qiáng)方式不滿足強(qiáng)度要求，必須進(jìn)行整改。

表1 原吊裝設(shè)計(jì)模型最大位移和最大應(yīng)力匯總表

圖8 吊裝臨時(shí)加強(qiáng)整改方案

整改措施：在原吊裝方案基礎(chǔ)之上，繼續(xù)增加臨時(shí)方管加強(qiáng)，重新計(jì)算各工況下的最大位移和最大應(yīng)力值，直至滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1括號(hào)中的數(shù)值。加強(qiáng)方案如圖8所示，增加了4根方管，共計(jì)0.6 t。

3 吊裝臨時(shí)加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

在設(shè)計(jì)吊裝方案時(shí)，根據(jù)分段的重量重心位置布置好吊環(huán)后，需要根據(jù)分段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，判斷出需要作臨時(shí)加強(qiáng)的位置。以上建分段851P為例，分段兩側(cè)都是薄板和加強(qiáng)筋組成的片段結(jié)構(gòu)，缺乏強(qiáng)有力的支撐，在吊裝過(guò)程中易發(fā)生較大變形。若吊裝臨時(shí)加強(qiáng)不合理，分段也極易發(fā)生不可恢復(fù)的變形，甚至報(bào)廢。

3.1 工藝撐改進(jìn)

采用200×75(20#)的槽鋼取代原設(shè)計(jì)使用的140×140×8(Q235)方管作為臨時(shí)加強(qiáng)工藝撐。通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]，相同長(zhǎng)度的槽鋼200×75(20#)不僅比方管140×140×8(Q235)要輕，而且力學(xué)性能也較優(yōu)，在建造過(guò)程中，槽鋼也比方管更容易加工和施焊，這也是目前船舶制造行業(yè)廣泛采用槽鋼作為臨時(shí)加強(qiáng)的主要原因。

3.2 臨時(shí)加強(qiáng)布置改進(jìn)

上建851P分段結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分段下口缺少?gòu)?qiáng)有力的支撐，且甲板在分段大接縫處有一個(gè)尺寸為2 696 mm×2 430 mm的大開(kāi)口，內(nèi)部縱壁上開(kāi)有尺寸為2 050 mm×950 mm的門(mén)孔，在設(shè)計(jì)吊裝方案時(shí)，這些位置都需要重點(diǎn)考慮。

臨時(shí)加強(qiáng)改進(jìn)措施：(1)根據(jù)分段艙壁的特點(diǎn)，選擇可能發(fā)生較大位移的位置，距分段下口邊緣300 mm高度處作槽鋼加強(qiáng)；(2)在吊環(huán)及主甲板開(kāi)口附近增加斜撐；(3)分段吊裝前暫不安裝獨(dú)立支柱，待分段正態(tài)后再安裝。851P分段吊裝臨時(shí)加強(qiáng)布置改進(jìn)方案如圖9所示。

圖9 851P分段吊裝臨時(shí)加強(qiáng)改進(jìn)方案

3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

對(duì)吊裝臨時(shí)加強(qiáng)改進(jìn)后的模型，再重復(fù)第2部分有限元計(jì)算的步驟，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，根據(jù)應(yīng)力衡準(zhǔn)判斷，改進(jìn)后的吊裝方案滿足各工況下的強(qiáng)度要求。

表2 改進(jìn)后模型最大位移和最大應(yīng)力匯總表

3.4 臨時(shí)加強(qiáng)方案改進(jìn)前后計(jì)算結(jié)果比較

將吊裝方案改進(jìn)前后的各工況對(duì)應(yīng)的最大位移、板單元最大Von Mises應(yīng)力、梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力分別進(jìn)行比較，柱狀圖如圖10～圖12所示。

圖10 改進(jìn)前后，最大位移值比較

圖11 改進(jìn)前后，板單元最大應(yīng)力值比較 圖12 改進(jìn)前后，梁?jiǎn)卧畲髴?yīng)力值比較

3.5 吊裝方案改進(jìn)前后效果分析

(1) 根據(jù)有限元計(jì)算的結(jié)果可以看出，吊裝方案改進(jìn)前后，模型在各工況下均能滿足強(qiáng)度要求。但改進(jìn)前的方案僅僅是通過(guò)不斷增加工藝撐方管的數(shù)量，使得模型結(jié)構(gòu)剛度大大提高。雖然滿足了分段在吊裝整個(gè)過(guò)程中的強(qiáng)度要求，但部分加強(qiáng)布置是不合理的，比如原設(shè)計(jì)方案中，連接支柱和艙壁的兩根方管分別長(zhǎng)3.6 m和4.2 m，施工不方便，且沒(méi)有必要，完全可以將支柱作為總組散裝件，留待分段總組后再燒焊。

(2) 選用槽鋼作為臨時(shí)工藝撐后，模型的最大位移值比改進(jìn)前要大一些，但屬于可以接受范圍。通過(guò)查看有限元計(jì)算結(jié)果中的位移云圖，發(fā)現(xiàn)此最大位移值由結(jié)構(gòu)變形量和模型整體位移量組成，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小。

(3) 吊裝方案改進(jìn)后，模型梁?jiǎn)卧獞?yīng)力水平較改進(jìn)前有所增大，但仍屬安全范圍。原因主要有兩點(diǎn)：1) 與吊裝加強(qiáng)方案有關(guān)；2) 與吊裝重量估算偏高有關(guān)。生產(chǎn)部門(mén)估算的焊接重量明顯偏高，嚴(yán)重背離實(shí)際。在船舶行業(yè)中，估算分段焊接重量時(shí)廣泛采用分段結(jié)構(gòu)重量的3%，以851P分段重量9.84 t為例，焊接重量約為0.295 t，且上建分段851P屬于薄板結(jié)構(gòu)，焊腳高度有限，焊接重量不可能達(dá)到生產(chǎn)部門(mén)估計(jì)的0.8 t，再加上有限元計(jì)算時(shí)，在估算吊裝重量的基礎(chǔ)上又放大了1.1倍，直接導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果中梁?jiǎn)卧膽?yīng)力水平偏高。

(4) 利用計(jì)算軟件的重量統(tǒng)計(jì)功能，得到改進(jìn)前模型結(jié)構(gòu)重量為13.01 t，改進(jìn)后的重量為12.6 t，改進(jìn)后的吊裝重量下降0.41 t。吊裝重量降低，不僅提高了操作的安全性，而且也減少了工裝和施工費(fèi)用。

4 結(jié)論

在海洋平臺(tái)的建造過(guò)程中，分段吊裝是一項(xiàng)極其重要的工作，吊裝任務(wù)完成的好壞，直接影響生產(chǎn)成本和生產(chǎn)周期。該文就吊裝加強(qiáng)工藝撐的使用，借助有限元分析工具，提出了用槽鋼取代方管作為工藝撐的方案。計(jì)算結(jié)果表明，吊裝設(shè)計(jì)方案改進(jìn)后，使用槽鋼作為臨時(shí)加強(qiáng)，變形能得到有效控制，不僅易于施工，而且能夠減少工裝件的使用，既提高了吊裝安全性，又降低了施工和工裝費(fèi)用。

[1] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing mobile offshore drilling units[S]. 2014.

[2] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，2005.

[3] 王長(zhǎng)生，薛小懷，樓松年，等. 薄板焊接變形的影響因素及控制[J].焊接技術(shù)，2005，34(4)：66-68.

Improvement of Distortion Control Method for Offshore Platform during Block Lifting

ZHU Rong-rong, ZHANG Chao-yang, LIU Yuan, YU Qian

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co., Ltd, Shanghai 200125, China)

The block lifting is a very important procedure during the offshore platform construction. Whether the lifting scheme is reasonable or not, that will directly affect the size of block distortion. Based on the lifting scheme deckhouse block 851P, designed by production department, strength evaluation was done in finite element method. For making a more reasonable lifting scheme, the square pipe was replaced by channel section steel as support bar. And both schemes were compared in order to improve the construction techniques for the shipyard.

offshore platform; block lifting; distortion; support bar

2014-06-22

朱榮榮(1982-)，男，工程師。

1001-4500(2015)04-0009-06

P75

A